製品開発において、設計者が下す最も基本的な決定の一つは、部品の製造方法です。CADモデルは単なるデジタルファイルであり、それを物理的なオブジェクトに変換するには製造プロセスが必要です。ほとんどのプラスチック部品や金属部品の場合、この選択はCNC加工と射出成形という業界を代表する2つの方法に絞られます。
見た目は似たような部品を製造できる場合もありますが、製造プロセス、性能特性、コストは大きく異なります。これらの違いを理解することは、設計要件、生産量、予算に最適な製造方法を決定する上で不可欠です。
機械加工部品とは何ですか?
機械加工部品は、CNC工作機械、旋盤、フライス盤、ドリルなどを用いて、固体ブロック（金属またはプラスチック）から材料を精密に削り出す減算製造法によって製造されます。このプロセスにより、厳しい設計基準を満たすために、厳密な公差、滑らかな表面仕上げ、そして複雑な形状の加工が可能になります。
一般的な機械加工プロセスは次のとおりです。
- CNCフライス加工と旋削
- 掘削、研削、タッピング
- 放電加工（EDM）
- 平面研削および円筒研削
機械加工部品は通常、少量から中程度の生産量の場合、または寸法精度と材料強度が最優先される場合に使用されます。
成形部品とは何ですか?
一方、成形部品は、成形加工によって製造されます。成形加工では、材料（通常はプラスチックまたは金属粉末）を加熱し、金型のキャビティに注入して所望の形状を形成します。冷却または固化後、部品は取り出され、最小限の後処理が施されます。
一般的な成形方法は次のとおりです。
- プラスチック射出成形
- 圧縮成形
- ダイカスト（金属用）
- シリコンまたはゴム成形
成形は、一度金型を作れば何千もの同一部品を迅速かつ一貫して作成できるため、大量生産に最適です。
それらの違いは何ですか?
材料の違い
機械加工部品
機械加工は、以下を含む幅広い材料をサポートします：
金属: アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、チタン、銅、炭素鋼
プラスチック: PEEK、デルリン、ナイロン、PTFE、アクリル
この柔軟性により、メーカーは強度、耐熱性、または化学的適合性に基づいて材料を選択できます。機械加工された部品は、溶融や硬化のプロセスを受けないため、元の材料の機械的特性を完全に維持することがよくあります。
成形部品
成形では主に、ABS、ポリプロピレン（PP）、ポリカーボネート（PC）、ナイロンなどの熱可塑性プラスチックや熱硬化性ポリマーが使用されます。金属射出成形（MIM）やダイカストでは、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム合金などの材料が一般的に使用されます。
ただし、成形材料は成形プロセス中の温度、圧力、冷却速度によって特性が変化する可能性があり、密度、強度、表面仕上げに影響を及ぼす可能性があります。
寸法精度と表面品質
機械加工部品
CNC加工の最大の利点の一つは、高い精度です。機械加工された部品は±0.005 mm（±0.0002インチ）という極めて狭い公差を実現できるため、航空宇宙エンジン部品や外科用ツールなどの精密組立に適しています。
さらに、表面仕上げは Ra 0.4 µm 以上を実現でき、研磨、陽極酸化、コーティングなどの仕上げ作業により、外観と耐久性がさらに向上します。
成形部品
成形部品は、金型が適切に作られると優れた再現性を発揮しますが、収縮や金型の摩耗の可能性があるため、寸法精度は通常、CNC 加工よりも低くなります。
表面仕上げは金型の品質に依存します。高光沢仕上げやテクスチャ仕上げは再現できますが、ミクロレベルの滑らかさや正確な許容差を実現するには、二次加工や研磨が必要になることがよくあります。
生産速度とコスト
機械加工
機械加工は、少量から中程度の生産量に最適です。セットアップ時間が比較的短いため、試作品やカスタム部品の製作には経済的です。ただし、工具の摩耗と加工時間の増加により、生産量が増えるにつれて部品1個あたりのコストが増加します。
利点：
- 高価な金型は不要
- 迅速な設計変更
- 試作や限定生産に最適
制限事項:
- 生産速度の低下
- 切断による材料廃棄の増加
- 大規模製造にはコストがかかる
成形
一方、成形は金型の設計・製作に初期コストがかかりますが、一度完成すれば、追加部品は安価で迅速に生産できるため、大量生産に非常に効率的です。
利点：
- 高い生産速度
- 大量生産でも優れたコスト効率
- 一貫した部品品質
制限事項:
- 初期ツールコストが高い
- 金型製作のリードタイムが長い
- 設計変更には新しい金型が必要
設計の柔軟性と複雑さ
機械加工は、特に少量生産のカスタム部品において、優れた設計柔軟性を提供します。エンジニアは、追加の工具投資をすることなく、CADモデルを容易に修正し、加工プログラムを調整できます。複雑な内部形状、深穴、アンダーカットなどは、多軸CNCシステムによって実現できます。
しかし、成形は形状の複製と効率性に優れています。リブ、ねじ、ロゴといった複雑な形状を1回の成形サイクルで成形できます。しかし、複雑な内部形状には追加のインサートやスライドが必要になる場合があり、コストと複雑さが増します。
機械的強度と性能
機械加工部品はソリッドビレットから作られるため、内部の空隙や弱点がなく、均一な材料特性を維持します。そのため、構造用途や高負荷用途に最適です。
しかし、成形部品は異方性強度を示す場合があり、成形時の材料の流動パターンにより方向によって機械的性能が異なります。添加剤や充填剤を加えることで強度を高めることはできますが、成形部品は一般的に機械加工された金属部品ほど耐久性がありません。
後処理と仕上げ
どちらの製造方法でも、ある程度の仕上げが必要になることがよくあります。
機械加工部品:
バリ取り、研磨、陽極酸化処理、メッキ、熱処理を行い、外観と性能を向上させます。
成形部品:
フラッシュ、ペイント、または表面テクスチャをトリミングして、希望の外観を実現します。
ただし、機械加工では通常、機械から直接高い仕上がりが実現されるのに対し、成形では表面の複製と後処理に重点が置かれます。
選び方：簡単なガイド
各プロセスをいつ選択するかについて簡単に説明します。
CNC 加工を選択する場合:
- 試作段階です。設計をテストするために、1～50個の部品をすぐに用意する必要があります。
- デザインはまだ完成していません。変更が予想されるため、反復作業に対応できる柔軟性が必要です。
- 少量生産です。製品はカスタム品またはニッチ品で、総生産数は数百個程度です。
- 金属部品が必要です。機械加工は、少量から中程度の生産量で金属部品を生産する場合の標準的かつ最も費用対効果の高い方法です。
- 成形では達成できない、極めて厳しい許容誤差が求められます。
射出成形を選択する場合:
- 大量生産段階にあり、10,000個以上の同一部品が必要です。
- デザインは100%完成し、検証済みです。デザインを「確定」する準備が整いました。
- 部品当たりのコストを可能な限り低くすることが主な目標です。
- プラスチック部品を製造していますね。これは複雑なプラスチック部品を大量生産するための決定的なプロセスです。
- リビング ヒンジや一体型スナップ フィット エンクロージャなど、成形は簡単だが機械加工は難しい機能が必要です。
結論
機械加工部品と成形部品はどちらも、現代の製造業において重要な役割を果たしています。機械加工は優れた精度、柔軟性、強度を確保し、成形はスピード、コスト効率、そして再現性を実現します。
多くの場合、企業では両方のプロセスを組み合わせて、射出成形用の金型を機械加工したり、成形部品に後加工を施して公差を厳しくしたりしています。
最終的に、各方法の長所と限界を理解することで、エンジニアはパフォーマンス、コスト、スケーラビリティのバランスが取れた情報に基づいた選択を行えるようになり、すべての製品が正確かつ効率的に本来の目的を達成できるようになります。